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Photovoltaïque : record de rendement pour des boîtes quantiques !

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Le rendement des films contenant des boîtes quantiques colloïdales utilisables pour la conversion photovoltaïque a été amélioré de 40 %. Des chercheurs canadiens viennent en effet avec ces objets d'atteindre un taux de conversion de 7 % de l'énergie du Soleil en électricité.

À l'image : l'un des dispositifs avec un film contenant des boîtes quantiques colloïdales, réalisé par les chercheurs canadiens. Ils travaillent sur ces films depuis des années. © Ted Sargent, University of Toronto

La nanotechnologie sauvera-t-elle le monde de la crise de l'énergie ? C'est possible, si les travaux sur les cellules photovoltaïques avec des boîtes quantiques continuent à progresser. Rappelons tout d'abord que les boîtes quantiques sont des paquets d'atomes, aux propriétés électroniques intermédiaires entre celles des semi-conducteurs et celles des molécules discrètes, constituant des nanocristaux d'un matériau semi-conducteur dont les dimensions sont inférieures à 10 nm. Elles ont été découvertes au début des années 1980 par le physicien du solide russe Alexei Ekimov.

Selon leurs tailles, ces nano-objets peuvent absorber la lumière à différentes longueurs d'onde et la convertir en paires d'électrons-trous dans le semi-conducteur. Peu coûteuses et faciles à fabriquer à partir d'une solution, les boîtes quantiques, alors dites colloïdales (colloidal quantum dots ou CQD en anglais), sont bien connues car, en suspension dans un liquide, elles le rendent fluorescent dans le visible lorsqu'il est exposé à la lumière ultraviolette.

Les images de ces liquides ne sont pas que très esthétiques, elles cachent surtout des applications potentielles importantes. En effet, ces boîtes quantiques colloïdales permettront de réaliser des cellules photovoltaïques efficaces à plus bas prix que les cellules solaires basées sur le silicium. Si l'on arrivait à obtenir avec ces boîtes quantiques un fort rendement de conversion de l'énergie solaire en électricité, on pourrait se passer du pétrole ou de l'uranium comme source d'énergie primaire.

Soumises à un rayonnement ultraviolet, des boîtes quantiques colloïdales (colloidal quantum dots ou CQD en anglais) de diverses dimensions, ici en suspension dans cette image et faites d'un même matériau, deviennent fluorescentes dans le visible. © Amazing Rust

Les boîtes quantiques colloïdales, l'avenir de l'énergie solaire ?

Une telle révolution pourrait arriver en quelques décennies seulement, peut-être avant le démarrage des premières réactions thermonucléaires par fusion contrôlée dans le réacteur Iter. Grâce aux boîtes quantiques combinées aux piles à combustibles, l'humanité pourrait alors continuer son développement sans une crise mondiale, malgré l'épuisement des énergies fossiles.

L'enjeu est considérable et plusieurs laboratoires dont celui de Ted Sargent, à l'université de Toronto au Canada, sont dans la course pour la découverte de ces mythiques cellules photovoltaïques avec boîtes quantiques colloïdales à hauts rendements.

Déjà bien connus par leurs accomplissements de ces dernières années dans ce domaine, les chercheurs du Sargent Group viennent de publier dans Nature Nanotechnology un article annonçant un nouveau record avec ces boîtes quantiques, avec un rendement de 7 %. Le rendement atteint par des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin est d'environ 15 % mais, théoriquement, avec des boîtes quantiques, on devrait dépasser un jour les 60 % avec un maximum théorique de 87 %.

Pour gagner presque 40 % d'efficacité supplémentaire par rapport au précédent record avec des CQD utilisées pour faire des cellules photovoltaïques, les physiciens ont dû tenter de résoudre un problème lié à la taille de ces boîtes. Les boîtes sont d'abord déposées sur un support en verre puis on ajoute un liant pour connecter ces CQD avant de recouvrir le tout d'un conducteur transparent. Or, jusqu'à présent, la petite taille des CQD faisait que de nombreuses zones vides entre ces boîtes dans le film formaient des pièges à paires électrons-trous qui se recombinaient. En utilisant un composé chloré ajouté à la solution où les CQD ont été synthétisées, le nombre de ces zones de piégeages a été diminué, faisant bondir le rendement des films photovoltaïques basés sur ces boîtes quantiques.

Il devrait être possible de faire encore augmenter de cette façon le rendement de ces films que l'on peut déposer, par exemple, sur des surfaces souples comme celles portant des écrans.

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